Systemtests und Messvorbereitung
Das komplette System wurde zunächst im DLR-Labor einem Vibrations- und Rotationstest unterzogen. Der erste mechanische Bodentest wurde auf dem Flughafen in Rzeszów (Polen) während des AIM²-Worshops (Advanced In-flight Measurement Techniques 2), einem von der EU im 7. Rahmenprogramm geförderten Projekt, durchgeführt. Neben einem ersten Montagetest fanden dabei die Erprobung verschiedener Punktmuster und ein erster Bodentestlauf mit rotierendem Propeller statt. Zusätzlich zu den Erprobungen der Kamera-Hardware erfolgte das Generieren des für die IPCT-Messung erforderlichen Musters. Für die finale Musterauslegung wurde ein auf CATIA V5 basierendes Digitales-Mock-up (DMU) benutzt, in welchem die späteren Kamerabilder mithilfe von 3D-CAD-Modellen der Apparatur simuliert werden können. Um eine für die IPCT-Auswertung optimale gleichmäßige Punkt- und Markergröße zu erhalten, muss das Muster entsprechend zur Blattspitze hin progressiv ausgelegt werden. Weiterhin werden Punkte und Marker entsprechend gedehnt. Dadurch erscheinen die Punkte aus der flachen Perspektive der beiden Kameras als rund und gleich groß, was zur optimalen Nutzung der Kameraauflösung und Maximierung der Genauigkeit auf der ganzen Blattoberfläche führt. Ein weiterer Schritt der Vorbereitung ist die Montage der Kamera an dem Propeller und das Auswuchten des gesamten Messaufbaues. Im Anschluss wurden die Kameraoptiken eingestellt und erste Testbilder aufgenommen. Diese stimmen mit den in der DMU simulierten Bildern überein und demonstrieren damit die einwandfreie Funktionsweise der DMU.
Flugversuch und Kalibrierung
Der fertig vorbereitete Propeller wurde zusammen mit der rotierenden Kamera am Flugzeug befestigt und das System für den Flugversuch konfiguriert. Hierzu bietet die neu entwickelte rotierende Kamera zusätzlich zur ´Remote-Desktop-Bedienung´via WLAN alternative Anschlussmöglichkeiten für Monitor, Tastatur und Maus. Nach der Montage der Kamera am Flugzeug und einem ersten Funktionstest erfolgte die für die Messtechnik IPCT erforderliche Kamerakalibrierung. Diese dient dazu, den Bezug zwischen Weltkoordinaten (=wirklichen 3D-Koordinaten des Rotorblattes) und Kamerasensorkoordinaten (=Zeile und Reihe in den jeweiligen Kamerabildern) herzustellen. Im Rahmen der Kalibrierung werden durch Aufzeichnen einer sogenannten Kalibrierplatte mit bekanntem Schachbrettmuster unter verschiedenen Winkeln die Lage und Position der beiden Kameras, der Abbildungsmaßstab, sowie die Linsenverzeichnung ermittelt. Nachdem das System fertig konfiguriert und kalibriert war, konnten die Akkus eingebaut und der eigentliche Flugversuch gestartet werden. Es wurden bei der Flugversuchskampagne insgesamt vier Flüge durchgeführt. Im Rahmen jedes der ca. 30 minütigen Flüge wurden verschiedene Manöver mit unterschiedlichen Propellereinstellungen geflogen. Insgesamt wurden ca. 400GByte an Bilddaten aufgezeichnet. Die Bildaufzeichnung erfolgte sowohl mit fest eingestelltem als auch mit kontinuierlich verändertem Phasenwinkel.
Auswertung
Die aufgezeichneten Bilder wurden nach dem Flugversuch mit einer in Matlab erstellten IPCT-Software ausgewertet. Die linke Seite in Bild 4 stellt das maskierte Bild von Kamera 1 dar, die rechte das durch Korrelation mit der linken Seite entzerrte Bild von Kamera 2. Die dabei erhaltenen korrespondierenden Bildkoordinaten in Kamera 1 und Kamera 2 werden anschließend unter Kenntnis der mit der Kalibrierung ermittelten Kameraparameter trianguliert und somit die 3D-Oberfläche des aufgezeichneten Propellerblattes rekonstruiert. Mit den gewonnenen Erkenntnissen lassen sich nun auch einfach rotierende optische Präzisionsmessgeräte wie z.B. Hubschrauberrotoren oder Rotoren von Windenergieanlagen realisieren.
[1] Boden, Fritz; Kirmse, Tania; Jentink, Henk (2013) Image Pattern Correlation Technique (IPCT). In: AIM² Advanced Flight Testing Workshop – Handbook of Advanced In-Flight Measurement Techniques BoD – Books on Demand, Norderstedt. Seiten 63-85. ISBN 978-3-7322-3740-1.
Autoren | Fritz Boden und Boleslaw Stasicki, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik PCI/104-Express-Single-Board-Computer
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